《光电成像系统》习题集附答案

E 0 = 2 × 1 0 −2 lx
，
ρ 0 = 0 .1 ， ρ b = 0 .0 5
m
，
f o′ = 1 0 0
， n = 4
Do
f o ′ = 1 1 .1 1 ， τ 0 = 0 .9 ， H
= 2m
①由 E0 、r 0、 r b 计算目标及背景亮度 L0、Lb 及目标的对比度 c0。
L0 = ρ0 E0 π Lb = ρb E0 π c0 = ( L0 − Lb ) ( L0 + Lb ) = ( ρ0 − ρb ) ( ρ0 + ρb ) = 0.3
的多路时钟。 F 1 F 2
CCDB
2 5 6
25 5
25 2 4 5 3
2
1
F R
F F F F T 2 1 p 有五路时钟脉冲： ΦP、ΦT、Φ1、Φ2、ΦR 其中
CCD A
f Φ P = f ΦT
F p F T F 1
f Φ1 = f Φ 2
T Tp
f Φ R = 2 f Φ1 = 2 f Φ 2
1
2
③人眼与夜视成像系统的匹配
ms = mβ =
Cβ 2 (S N
)
π Lα ts ( 2 − C ) eG
3. 像管选择限定 ①极限分辨率、增益、等效背景噪声 ②输入窗的光谱匹配、输出窗后续应用模式 ③荧光屏光谱特性、发光效率、分辨率 ④调制传递函数 MTF ⑤信噪比、品质因素 4. 设计思路 ①按仪器用途、视距要求及成本造价等选择像管。 ②依据初步选定的像管技术指标、视距和观察等级等条件，初步拟定物镜、目镜等光学 系统参数，如焦距、相对孔径、视场角等。 ③全系统外形尺寸计算及整体布局设计。 ④修改设计，使总体性能达到预期状态。 5. 设计实例 设计一微光夜视仪，要求在星光照度 (约 10-3lx) 下识别 do=1000m 处高度约 H=2m 的 坦克。仪器视场角为 2ω=12.5° ，视放大率γ=4。 ①初选 按视距 1000m 和星光照度下识别坦克的要求，初步选用有效直径 (光阴极/荧光屏) 为 Dc=F 25/25 的第二代像管，其光阴极中心分辨率为 Nc=25lp/mm。 ②确定物镜焦距 f' A)根据视场，确定物镜焦距
Φ 4πRS M S 2 太阳的辐射强度： IS = = = RS σT 4 = 3.64 × 10 25 W / sr 4π 4π
太阳对地球辐射通量：
2
Φ es = E S ⋅ S e =
IS πσRe Rs TS 2 πRe = = 2.30 × 1017 W / m 2 2 2 L L
2
2
4
地球辐射通量： Φ ee = M e ⋅ 4πRe = σTe ⋅ 4πRe 由于地球的吸收与辐射收支平衡，有 Φ es = Φ ee 则可计算地球的温度 Te=291K
或
N = L G SD
C)CCD 光敏单元节距 P P=W/N，一般取 D=P D)根据上述参数选择合适的 CCD 成像器件。 对于画幅式成像系统， 选用面阵 CCD 器件， 空间视场和空间分辨率有两个方向， 分别确定面阵 CCD 器件两维参数后选取。 2. 例题 飞机高度 H=3km，飞行速度 v=360km/h，机械成像系统成像放大率 β=30000，地元分 辨率 GSD=0.3m，地面覆盖宽度 L=3km。试确定①光学系统参数；②CCD 器件选型；③时 序设计。 解：如图为示意图。 ①光学系统基本参数
Lod = Loτ a + Ls (1 − τ a )
表现对比度 C
Lbd = Lbτ a + Ls (1 − τ a )
−1 ⎤ C = ( Lo − Lb ) ⎡ ⎣ Lo + Lb + 2 Ls (τ a − 1) ⎦
其中，t a 为大气透过率，Ls 为夜视仪所在处地平天空的辐亮度。 阴极面照度：
GSD 0.3m = = 3ms v 100m / s
由于飞行速度较快，要完成高速成像且不要求实时显示，则 TP : TT 的值越大越好， 不妨取 9:1，则有 TP=2.7ms，TT=0.3ms。
� 黑体辐射计算
详课本 68 页
� 波段辐射计算
详见课本 69 页
� 辐射计算例题
1. 例题：已知太阳峰值辐射波长λm=0.48μm，日地平均距离 L=1.495*1011m，太阳半径 RS=6.955*105km，如将太阳和地球看做黑体，求太阳和地球的表面温度。 解： 根据维恩位移定律：λmTS=2898（μm·m） 可得 太阳的温度 TS=6037K
f′=
H β −1
B)视场角－－2ωw ；覆盖宽度－－L
⎛ L ⎞ 2ω = 2 tan −1 ⎜ ⎟ ⎝ 2H ⎠
C)瞬时视场角－－IFOV；地元分辨率－－GSD
IFOV = GSD H
④CCD 器件基本参数 A)CCD 光敏区大小 W
W = 2f ' tan ω
B)CCD 光敏单元数 N
N = 2 ω IF O V
1. 基本概念 ①视距－－最远观察距离，或称极限观察距离。 ②视距估算——是把目标及环境条件与微光夜视仪的特性参数联系起来， 估算仪器的最 远观察距离。 2. 基本公式 假定在距离 d 处有高度为 H 的物体，微光夜视仪的物镜焦距为 fo´，像增强器阴极极限 分辨率为 m (lp/mm) ，则观察距离，其中 n 是某观察等级要求的线对数
高低电平宽度之比 1：4 ③确定水平移位寄存器时钟脉冲Φ1、Φ2 驱动一行信号输出需要的脉冲个数
N
H
= N e ff + N
s tr
+ N1 + Nb
Neff：有效脉冲个数，即移位寄存器位数，128 Nstr：结构位，3
N1：防串音位，1 Nb：正逆程之比，4：1
N H = (128 + 3 + 1) + 33 = 165
2
4
2
2. 例题：已知太阳辐亮度 LS = 2 × 107 W / m 2 ⋅ sr ，太阳半径 rs=6.957*108m，地球半径 为 re=6.374*106m，太阳到地球平均距离 l=1.496*1011m。 ①求太阳辐射出射度 MS，太阳辐射通量Φs，太阳辐射强度，地球接收的辐通量Φe； ②分别求当天顶角θ=0°、30°时地面的照度 E； ③若地球的漫反射率为ρ=0.3，求其辐亮度 L。 解： ①不妨认为太阳为一个朗伯辐射体 则有 太阳辐射出射度： M S = πLS = 6.28 × 107 W / m 2 太阳辐射通量： Φ s = M S ⋅ S = M S ⋅ 4πrS = 3.82 × 10 26 W
γ = tan ω ′
x = − f e′2 • SD • 10−3 ( mm)
⑧目镜出瞳距离 一般情况下，出瞳距离一般不小于 15mm ⑨目镜的出瞳直径
出瞳直径的确定原则上确保与眼睛瞳孔的耦合。 在暗适应条件下， 眼瞳直径最大约 为 7.6mm，因此，目镜的出瞳直径按 7～8mm 设计即可。
� 视距估算
焦距： f ' =
H H 3000 ≈ = = 100cm β + 1 β 30000
⎛ L ⎞ −1 ⎛ 3000 ⎞ ⎟ = tan ⎜ ⎟ = 26.6° ⎝ 2H ⎠ ⎝ 2 × 3000 ⎠
视场角： 2ω = tan −1 ⎜
瞬时视场角： IFOV =
GSD 0.3 = = 10 −4 rad H 3000
光电成像系统习题集
� 微光夜视成像系统总体设计
1. 系统设计目标 ①微光夜视光电成像系统受信噪比和光学系统性能的限制，总体性能涉及光学系统、 像 管以及与人眼的匹配等。 ②设计应根据系统应用的需求，寻求各种参数的最佳化。 2. 夜视光电成像系统性能限定 ①理想夜视系统的极限分辨角
⎡⎛ 2 ( S N ) ⎞ 2 ( 2 − C ) • e ⎛ 1 ⎞ 2 ⎤ 2 2 α 0 = α k + α t = ⎢⎜ +⎜ ⎟ ⎟ ⎥ DC ⎠ π L0τ 0ts ⎝ m0 f 0′ ⎠ ⎥ ⎢ ⎝ ⎣ ⎦
⑤确定目镜焦距 f0' 对于选用的像管，线放大率β＝1
γ=
β f o′ f e′
f e′ =
β f o′
100 = 25mm γ = 1× 4
⑥确定目镜视场角
tan ω ω′ = arctan(γ tanω) = arctan(4 tan 6.25� ) = 23.66�
目镜视场角为 47.32° ⑦目镜的工作距离 lF 目镜的工作距离 lF 指目镜第一面顶点到目镜物方焦点 F 的距离。它的大小应保证 系统视度调节的需要。 当要求视度调节范围为 SD 时，对应的目镜轴向移动量为
f o ′ ta n ω ≤ 0 .5 D c
B)根据分辨率，确定物镜焦距
H′ H ≤ f o′ d H′ = 4×
1 = 0.16mm 25
0.16 × 1000 f o′ ≥ = 80mm 2
其中，H´——目标像高度，至少占极限分辨率图案 4 对线位置 C)综合上述，试选物镜焦距
f o′ = 100mm
TT
F 2 F R ①确定光敏元时钟脉冲ΦP：与显示器制式匹配
f Φ P = 15625Hz TP : TT = 4 :1
②确定转移栅时钟脉冲ΦT
T = 64 µ s
显示器回扫时间占周期的 1/5，即正逆程之比为 4:1 高低电平宽度之比
TP = 51.2µ s
TT = 12.8µ s
f Φ T = f Φ P = 15625Hz
d ≤ f o′ Hm n
视距与观察等级密切相关。 视距与物镜焦距、像增强器阴极极限分辨率成正比。 3. 估算思路 在不考虑大气因素的条件下，视距估算的依据为：夜天光照度 E0，目标和背景的反射 比ρ0 、ρb，物镜焦距 fo´ ，相对孔径 Do/fo´ ，物镜光学系统透过率τ0，光阴极的极限分辨率 Nc，目标的最小成像尺寸 Hm 以及观察等级所要求的可分辨等效条带数 n。 4. 例题 例：已知
1 ρ0 E0τ aτ 0 Do fo′ 4 Ec =
(
)
2
估算方法：逐次逼近法
2 ⎡ 1 ⎤ ′ 1 + D f o o ⎢ ⎥ 4 ⎣ ⎦
(
)
� CCD 时序设计
1. 例题：2048 位两相双边输出线阵 CCD 器件结构图及其驱动脉冲波形 F 1 CCDA I D CCDB 204 8 204 20 7 46 20 45 204 4 4 3 2 1 F 2 F R O D O G T T
②CCD 基本参数设计及选型 CCD 光敏区大小： W = 2f ' tan ω = 2 × 0.1× tan 13.3° = 0.047 m
L 3000 = = 10000 GSD 0.3 W 0.047 CCD 光敏单元节距： P = = = 4.7 × 10 −6 m N 10000
CCD 光敏单元数： N = 根据飞行情况，可以选择线阵 CCD 来成像，另一自由度的成像可以由飞行扫描来 完成；有由于 N 过大，一般选用双边 CCD。 ③时序设计 周期 T = TP + TT =
取
N H = 140 + 35 = 175
f Φ1 = f Φ2 = 175 × 15625 ≈ 2.73MHz
④确定复位（读出）脉冲
f Φ R = 2 f Φ1 = 5.46MHz
� CCD 光学系统设计
1. 基本参数要求 ①与成像质量有关的要求：成像清晰、像面照度均匀、MTF 高以及畸变小等 ②与 CCD 成像器件选型有关的参数：空间视场、空间分辨率 ③光学系统基本参数： A)焦距－－f’；物距－－H，放大倍率b
③确定物镜视场光阑 Df 根据选定的物镜焦距和视场角要求， 在靠近光阴极的前面设置视场光阑， 光阑直径
D f = 2 fo′ tan ω = 21.9 mm
④确定物镜口径 D0 综合考虑能量和体积、重量等关系，参考现有的微光夜视仪的物镜，选取物镜的相 对孔径
Do f o′
=1 1.11
Do = 90mm
②计算光阴极面的照度 Ec
Ec =
1 ρ 0 E0τ 0 Do fo′ 4
(
)
2
= 3.6 ×10 −4 lx
③由 Ec 、c0 查像增强器极限分辨率曲线得到 Nc
N c = 24 lp mm
④视距为
d = f o′ H m N c n = 1200m
5. 考虑大气影响的视距估算 微光夜视仪在可见光到近红外波段工作，正好在大气窗口，大气吸收影响可以不计， 只 考虑大气散射的影响。 目标和背景亮度的表观亮度 Lod、Lbd 与 Lo、Lb 的关系
I F F G F 2 T p TP ：光积分时间 TT：转移时间 T：周期，TP、TT 之和 f1＝f2，相位相反 fR＝2f1＝2f2
T F p F T F 1 F 2 F R T p
� CCD 成像系统设计
1. 例题 有一块 256 位两相双边读出线阵 CCD， 输出图像实时显示(PAL 制式)， 计算该器件所需
②像增强器暗背景噪声下系统极限分辨力
1
2
2 ⎡⎛ 2 ( S N ) ⎞ 2 ( 2 − C ) • e ⎡ ⎤ ⎛ 1 ⎞ ⎤ 8 Eb α 0 = ⎢⎜ ⎢1 + ⎥+⎜ ⎟ ⎟ ⎥ DC ⎠ π L0τ 0ts ⎣ π L0τ RA 2 ( 2 − C ) ⎦ ⎝ m0 f 0′ ⎠ ⎥ ⎢ ⎝ ⎣ ⎦